Bài giảng Động cơ bước - Stepping motor

Điều khiển vị trí theo vòng hở: Một lợi thế rất lớn của động cơ bước là ta có thể điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần đến phản hồi vị trí như các động cơ khác, khôn

Động cơ bước - Stepping motor

1 Mở đầu

2 Phân loại và cấu tạo động cơ bước

3 Nguyên lý họat động và cách điều khiển

4 Phương pháp điều khiển và mạch điều khiển

5 Cách lựa, chọn thông số và ứng dụng

LỢI ÍCH CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC

Không chổi than: Không xảy ra hiện tượng đánh lửa chổi than làm

tổn hao năng lượng, tại một số môi trường đặc biệt (hầm lò ) có thể gây nguy hiểm

Tạo được mômen giữ: Một vấn đề khó trong điều khiển là điều khiển

động cơ ở tốc độ thấp mà vẫn giữ được mômen tải lớn Động cơ bước là thiết bị làm việc tốt trong vùng tốc độ nhỏ Nó có thể giữ được mômen

thậm chí cả vị trí nhừ vào tác dụng hãm lại của từ trường rotor

Điều khiển vị trí theo vòng hở: Một lợi thế rất lớn của động cơ bước

là ta có thể điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần đến phản hồi vị trí như các động cơ khác, không phải dùng đến encoder hay máy phát tốc (khác với servo)

Độc lập với tải: Với các loại động cơ khác, đặc tính của tải rất ảnh

hưởng tới chất lượng điều khiển Với động cơ bước, tốc độ quay của rotor không phụ thuộc vào tải (khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo

được) Khi momen tải quá lớn gây ra hiện tượng trượt, do đó không thể

kiểm soát được góc quay

PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC

Động cơ bước cơ bản được chia làm 3 loạI:

Động cơ bước nam châm vĩnh cữu

Động cơ bước biến trở từ

Động cơ bước lai

Động cơ bước nam châm vĩnh cữu cơ bản gồm 3 lọai:

Động cơ bước đơn cực

Động cơ bước lưỡng cực

Động cơ bước nhiều pha

ĐỘNG CƠ BƯỚC NAM CHÂM VĨNH CỮU

STEP loại đơn cực bao gồm 2 cuộn dây, mỗi

cuộn được nối ra ngoài ở giữa cuộn, vì vậy

thông thường trên thực tế đây là loại động cơ 5 hoặc 6 dây ra, STEP loại này được điều khiển

bẳng cách cho đầu dây chung nối lên nguồn và từng đầu dây còn lại lần lượt được nối mass

ĐỘNG CƠ BƯỚC ĐƠN CỰC

ĐỘNG CƠ BƯỚC LƯỠNG CỰC

Động cơ loại lưỡng cực (Bipolar), thường có 4 đầu ra Về cấu tạo đơn giản hơn nhưng khó cho điều khiển vì phải đảo chiều dòng điện qua cuộn dây a,b

ĐỘNG CƠ BƯỚC NHIỀU PHA

Một loại động cơ bước nam châm vĩnh cửu ít thông dụng hơn đó là động cơ bước có tất cả các cuộn dây được nối tiếp với nhau thành vòng kín và giữa mỗi cặp dây có một điểm giữa gọi là động cơ bước nhiều pha hay đa cực Kiểu thông dụng nhất là kiểu 3 pha và 5 pha

Động cơ bước kiểu từ trở

Thông thường có ba hoặc bốn cuộn dây đấu chung một đầu Đầu chung được nối với nguồn dương, các đầu còn lại lần lượt cho thông với đất để quay

rotor

Trên hình vẽ, rotor có 4 răng và stator có 6 cực Mỗi cuộn dây sẽ được quấn trên hai cực đối nhau Vì vậy, giả sử, khi cấp điện cho cực 1 (stator), rotor sẽ quay cực gần nhất (X) để răng thẳng với cực 1 Cắt điện cuộn số 1, tiếp tục cấp điện cho cuộn 2, rotor sẽ quay răng tiếp sau (Y) cho thẳng với cực 2 Cứ như vậy điều khiển quay rotor

ĐỘNG CƠ BƯỚC LAI

STEP lai là loại kết hộp giữa STEP từ thông thay đổi và loại nam châm vĩnh cửu rotor cho động cơ STEP lai có nhiều răng , giống như loại từ thông thay

đổi, chứa lõi từ hóa tròn đồng tâm xoay quanh trục của nó Răng của rotor tạo

đường dẫn giúp định hướng cho từ thông ưu tiên vào trong lỗ không khí STEP lai

được lái giống như STEP đơn cực và lưỡng cực

Phương pháp điều khiển

- Điều khiển chế độ cả bước (Full-step)

* Điều khiển cả bước 1 pha

* Điều khiển cả bước 2 pha

- Điều khiển chế độ nửa bước (Half-step)

Điều khiển cả bước 1 pha

Giản đồ xung 1 pha

Điều khiển cả bước 2 pha

Giản đồ xung 2 pha

Điều khiển chế độ nửa bước

Giản đồ xung nửa bước

Mạch điều khiển động cơ đơn cực

Q2 Q1

Điều khiển chiều quay động cơ

- Đổi chiều quay bằng cách lập trình

*Nếu dịch bước từ trái sang phải thì động cơ

Điều khiển tốc độ động cơ bước

Sơ đồ điều khiển cơ bản - động cơ từ trở

Điện áp được cấp qua các khoá chuyển để nuôi các cuộn dây, tạo ra từ trường làm quay rotor Các khoá ở đây không cụ thể, có thể là bất cứ thiết bị đóng cắt nào điều khiển được như rơle, transitor công suất Tín hiệu điều khiển có thể được đưa ra từ bộ điều khiển như vi mạch chuyên dụng, máy tính

+ MOSFET ( Metal Oxit Semiconductor

Field Effect Transitor):

Điều khiển bằng điện áp,Ron nhỏ, tự ngắt ở điện áp source-drain quá cao, có thể bật tắt

với tốc độ cao, hoàn toàn tuyến tính

MOSFET IRC IRL 540 có thể dẫn dòng lên tới

20 Ampe và tự ngắt tại điện áp 100V Điều này dẫn đến việc không cần phải có diode bảo vệ khi gắn switch với một phiến tản nhiệt phù hợp.Trên mạch còn một diode ổn áp 5.1 V, một điện trở 100 Ohm Trong trường hợp transitor

bị hỏng, áp ngược không thể vượt quá cao làm hỏng các linh kiện TTL của mạch điều khiển.Với điều khiển động cơ chỉ cần dòng qua cuộn dây cỡ 500 mili Ampe, có thể dùng IC loại dãy darlington collector hở:

+ ULN2003, ULN2803 ( Allegro Microsystem)+ DS2003 (National Semiconductor), MC1413 ( Motorola)

IC họ ULN200x có đầu vào phù hợp TTL, các đầu emitor được nối với chân 8.

Mỗi transitor darlington được bảo vệ bởi hai diode Một mắc giữa emitor tới collector chặn điện áp ngược lớn đặt lên transitor Diode thứ hai nối collector với chân 9 Nếu chân 9 nối với cực dương của cuộn dây, tạo thành mạch bảo vệ cho transitor.

I < 600 mA UDN 2547B

I < 500 mA ULN 2003, ULN 2803

I < 300 mA SN7541,7542,7543

ĐIỀU KHIỂN MOTOR LƯỠNG CỰC VỚI CẦU H

Motor bước lưỡng cực trên cuộn dây

không có điểm giữa nên khi đảo chiều

quay động cơ gặp khó khăn Để đảo

được chiều từ trường sinh ra trong

cuộn dây ( cũng có nghĩa đảo chiều

dòng điện) phải dùng một cấu trúc gọi

là cầu H

Thông thường sử dụng A,D đóng trong chế độ thuận và B,C đóng trong chế

độ ngược

mở và như vậy cả hai trường hợp 00, 11 đều đặt mạch vào chế độ phanh động

SGS Để tản nhiệt cho IC có thể thiết kế chân GND rộng hay gắn thêm một phiến tản nhiệt

- Dòng chịu được lên tới 3A

Chip L298 cũng có thể dùng điều khiển động cơ có dòng qua cuộn dây chừng 2A Để nâng dòng lên khoảng 4A, giống như trong trường hợp dùng 74LS244

ta mắc song song hai đầu ra như sơ đồ bên phải

Một điều đáng lưu ý với chip này là tốc độ switch rất nhanh, đến mức diode loại thường như 1N4007 không kịp dẫn Vì vậy, phải dùng diode nhanh hơn.Tương đương với L298 có LMD18200 của National Semiconductor

· So sánh động cơ đơn cực và lưỡng cực:

Động cơ loại lưỡng cực sẽ có moment sinh ra nhiều hơn 30% so với loại đơn cực có cùng kích thước Tuy nhiên động cơ loại lưỡng cực lại có mạch điều khiển phức tạp hơn so với loại đơn cực

· So sánh động cơ lai và động cơ nam châm vĩnh cửu:

Moment là một trong những vấn đề quan trọng khi lựu chọn động cơ bước

· Moment giữ: là moment cần thiết để xoay trục động cơ khi cuộn dây được cấp điện

· Moment kéo: là moment sinh ra khi động cơ xoay ở vận tốc ổn định, moment này chống lại khả năng tăng tốc của động cơ mà không bị trượt bước

· Moment kéo ra: moment này có thể làm cho động cơ di chuyển khi đang động cơ đang hoạt động

· Moment chốt: là moment đòi hỏi để xoay động cơ khi cuộn dây động cơ không cấp điện

Lựa chọn động cơ bước

Các thông số

INDUSTRIAL MOTOR